紫外可见分光光度计的研究进展

紫外可见分光光度计的研究进展

1.紫外可见分光光度法的应用分光光度计是杜宝斯克和涅斯勒等人在1854年将朗伯顿定律应用于定量分析化学领域，并设计了第一个色度比色法。到1918年,美国国家标准局制成了第一台紫外可见分光光度计。此后,紫外可见分光光度计经不断改进,又出现自动记录、自动打印、数字显示、微机控制等各种类型的仪器,使分光光度法的灵敏度和准确度也不断提高,应用范围不断扩大。紫外可见分光光度法从问世以来,无论在物理学、化学、生物学、医学、材料学、环境科学等科学研究领域,还是在化工、医药、环境检测、冶金等现代生产与管理部门,都有广泛而重要的应用。本文从紫外可见分光光度计的结构原理及在聚合物分析两方面进行阐述。2.检测仪器和检测设备紫外可见分光光度计主要由辐射源、单色器、试样容器、检测器和显示装置等部分组成。辐射源:必须具有稳定的、有足够输出功率的、能提供仪器使用波段的连续光谱,如钨灯、卤钨灯(波长范围350~2500纳米),氘灯或氢灯(180~460纳米),或可调谐染料激光光源等。单色器:它由入射、出射狭缝、透镜系统和色散元件(棱镜或光栅)组成,是用以产生高纯度单色光束的装置。其功能包括将光源产生的复合光分解为单色光和分出所需的单色光束。试样容器:又称吸收池。供盛放试液进行吸光度测量之用,分为石英池和玻璃池两种,前者适用于紫外到可见区,后者只适用于可见区。容器的光程一般为0.5~10厘米。检测器:又称光电转换器。常用的有光电管或光电倍增管,后者较前者更灵敏,特别适用于检测较弱的辐射。近年来还使用光导摄像管或光电二极管矩阵作检测器,具有快速扫描的特点。显示装置:这部分装置发展较快。较高级的光度计,常备有微处理机、荧光屏显示和记录仪等,可将图谱、数据和操作条件都显示出来。2.2主要特点紫外可见分光光度计具有灵敏度高、选择性好、准确度高、使用浓度范围广、分析成本低、操作简便、快速、应用广泛等特点。2.3设备类型紫外可见分光光度计主要分为单波长单光束直读式分光光度计、单波长双光束自动记录式分光光度计和双波长双光束分光光度计三种类型。2.4紫外吸收光谱法紫外可见分光光度计主要应用范围有:定量分析、定性和结构分析、反应动力学研究、研究溶液平衡等。定量分析:广泛用于各种物料中微量、超微量和常量的无机和有机物质的测定。定性和结构分析:紫外吸收光谱还可用于推断空间阻碍效应、氢键的强度、互变异构、几何异构现象等。反应动力学研究:研究反应物浓度随时间而变化的函数关系,测定反应速度和反应级数,探讨反应机理。研究溶液平衡:如测定络合物的组成、稳定常数、酸碱离解常数等。3.原理3.1分光光度测量的概念紫外可见分光光度法是根据物质分子对波长为200~760nm的电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。操作简单、准确度高、重现性好。波长长的光线能量小,波长短的光线能量大。分光光度测量是关于物质分子对不同波长和特定波长处的辐射吸收程度的测量。物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量,相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有不同的分子、原子和不同的分子空间结构,其吸收光能量的情况也就不会相同,因此,每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线,可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量,这就是分光光度定性和定量分析的基础。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。3.2饱和水溶液的电子受害者与紫外可见吸收光谱有关的电子有三种,即形成单键的σ电子、形成双键的π电子以及未参与成键的n电子。跃迁类型有:σ→σ*、n→σ*、π→π*、n→π*四种。饱合有机化合物的电子跃迁类型为σ→σ*,n→σ*跃迁,吸收峰一般出现在真空紫外区,吸收峰低于200nm,实际应用价值不大。不饱合机化合物的电子跃迁类型为n→π*,π→π*跃迁,吸收峰一般大于200nm。3.2.2外光谱中的波带位置吸收带(absorptionband):在紫外光谱中,吸收峰在光谱中的波带位置。根据电子及分子轨道的种类,可将吸收带分为四种类型。(1)R吸收带(2)K吸收带(3)B吸收带(4)E吸收带3.3原位期迁移光谱无机化合物的UV-Vis光谱吸收光谱主要有:电荷迁移跃迁及配位场跃迁。(1)电荷迁移光谱某些分子既是电子给体,又是电子受体,当电子受辐射能激发从给体外层轨道向受体跃迁时,就会产生较强的吸收,这种光谱称为电荷迁移光谱。如苯酰基取代物在光作用下的异构反应。(2)配位跃迁光谱在配体存在下过渡金属元素5个能量相等的d轨道和镧系、锕系7个能量相等的f轨道裂分,吸收辐射后,低能态的d电子或f电子可以跃迁到高能态的d或f轨道上去。绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d轨道,按照晶体场理论,当它们在溶液中与水或其他配体生成配合物时,受配体配位场的影响,原来能量相同的d轨道发生能级分裂,产生d-d电子跃迁。必须在配体的配位场作用下才可能产生,所以称为配位场跃迁;配体配位场越强,d轨道分裂能越大,吸收波长越短。吸收系数εmax较小(102),很少用于定量分析;多用于研究配合物结构及其键合理论。3.4极化的倾向(1)共轭效应的影响:π电子共轭体系增大,λmax红移,εmax增大。由于共轭效应,电子离域到多个原子之间,导致π→π*能量降低。同时,跃迁概率增大,εmax增大。如下图所示。下表列出了一些共轭多烯的吸收特性。空间阻碍使共轭体系破坏,λmax蓝移,εmax减小。(2)取代基的影响在光的作用下,有机化合物都有发生极化的趋向,即能转变为激发态。当共轭双键的两端有容易使电子流动的基团(给电子基或吸电子基)时,极化现象显著增加。给电子基为带有未共用电子对的原子的基团。如-NH2,-OH等。未共用电子对的流动性很大,能够和共轭体系中的p电子相互作用引起永久性的电荷转移,形成p-π共轭,降低了能量,λmax红移。吸电子基是指易吸引电子而使电子容易流动的基团。共轭体系中引入吸电子基团,也产生p电子的永久性转移,λmax红移。p电子流动性增加,吸收光子的吸收分数增加,吸收强度增加。给电子基与吸电子基同时存在时,产生分子内电荷转移吸收,λmax红移,εmax增加。(3)溶剂的影响一般溶剂极性增大,π→π*跃迁吸收带红移,n→π*跃迁吸收带蓝移,分子吸光后,成键轨道上的电子会跃迁至反键轨道形成激发态。一般情况下分子的激发态极性大于基态。溶剂极性越大,分子与溶剂的静电作用越强,使激发态稳定,能量降低,即π*轨道能量降低大于p轨道能量降低,因此波长红移。而产生n→π*跃迁的n电子由于与极性溶剂形成氢键,基态n轨道能量降低大,n→π*跃迁能量增大,吸收带蓝移。4.测定浓度与定量方法紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律,即物质在一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度呈正比。数学表示式如下:A=abc式中:A一吸光度;a一摩尔吸光系数;b一吸收介质的厚度;c一吸光物质的浓度。测定溶液的浓度(含量)是最常用的一种方法。它是通过与已知浓度的溶液比较,测定出未知浓度样品的浓度。其定量方法包括校准曲线法、标准对比法和吸收系数法。4.1.1校准曲线法方法:配制一系列不同含量的标准溶液,选用适宜的参比,在相同的条件下,测定系列标准溶液的吸光度,作A-c曲线,即标准曲线,也可用最小二乘数处理,得线性回归方程。在相同条件下测定未知试样的吸光度,从标准曲线上就可以找到与之对应的未知试样的浓度。4.1.2标准对比法即将待测溶液与某一标样溶液,在相同的条件下,测定各自的吸光度,建立朗伯-比尔定律,解方程求出未知样浓度与含量。有机化合物对紫外光具有吸收光谱特征:形状、峰的数目、波长位置及λmax(化合物特性参数),可作为定性依据。反映结构中生色团、助色团特性,不能够完全反映分子特性。结构相同的化合物一定具有相同的吸收光谱,吸收光谱相同的却不一定是相同的化合物。(1)对比吸收光谱特征数据λmax:峰、峰数、峰肩和峰谷;εmax:是特征常数而加以区别(εmax反映原子中价电子跃迁的概率)(3)对比吸收光谱的一致性:萨特勒光谱图同溶剂,同条件下测光谱图。试样x与标准s对比。4.2.2紫外光谱中吸收剂的结构(1)推测化合物的共轭体系和部分骨架吸收带是指吸收峰在紫外可见光谱中的波带位置。根据电子及分子轨道的种类可将紫外光谱的吸收带分为R、K、B和E吸收带四种类型。在解析光谱时,可以从这些吸收带的类型推测化合物的分子结构。R吸收带:R带是由化合物的n→π*跃迁产生的吸收带,它具有杂原子双键基团,>C=O,–NO,-NO2,-N=N-,-C=S;弱吸收吸收强度弱(ε<100L·mol-1·cm–1)。K吸收带:K带是由共轭体系中π→π*跃迁产生的吸收带。吸收峰的波长小于R带,一般>200nm;λmax;吸收强度大(ε>104L·mol-1·cm–1)。随着共轭体系的增长,K带向长波方向移动,K吸收带是共轭分子的特征吸收带。借此可判断化合物中的共轭结构,是紫外光谱中应用最多的吸收带。B带是由苯环本身的振动及闭合环状共轭双键π→π*跃迁而产生的吸收带,是芳香族主要特征吸收带,特点:在230~270nm呈现一宽峰,且具有精细结构,是弱吸收(λmax=255nm,εmax=200L·mol-1·cm–1)。E带是芳香族化合物另一个特征吸收带,是苯环内三个乙烯基共轭发生的π→π*跃迁产生的。E1带是观察不到的。当苯环上有发色团取代,且与苯环共轭时,E2带常与K带合并,吸收峰向长波移动。(因共轭,能量E→小,λ→长)(2)官能团的确定220~280nm无吸收,ε很小,无π→π*、n→π*不含苯环,无共轭双键,酮基,醛基,硝基;210~250nm有强吸收带,π→π*说明含共轭双键;250~280nm有弱吸收带(ε=10-1000L·mol-1·cm–1),n→π*,说明含酮基,酰基;若有强吸收带,说明含苯核;200~1000nm均有吸收峰,说明是个含长链的共轭体系或多环芳烃。(3)纯度鉴定化合物本身无吸收。乙醇中的苯(256nm有吸收,说明含苯)化合物本身有吸收。在λmax处测ε′max与文献中理论值比较εmax。4.3氢键强度的测定不同的极性溶剂产生氢键的强度也不同。这可以利用紫外光谱来判断化合物在不同溶剂中氢键强度,以确定选择哪一种溶剂。4.4确定接合物的组成和稳定常数金属离子常与有机物形成络合物,多数络合物在紫外可见区是有吸收的,我们可以利用分光光度法来研究其组成。5.光度计的新技术分光光度法在分析领域中的应用已经有数十年的历史,至今仍是应用最广泛的分析方法之一。随着分